第一情报 ---材料工业

二维材料科技影响力及各国发展策略

供稿人:宋鸿  供稿时间:2019-2-17   关键字:二维材料  产业价值  经济影响  政策  

(1)二维材料技术或将带动真正的科技革命

2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Kostya Novoselov)成功从石墨中分离出二维石墨烯晶体材料,推翻了所谓的“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的原有认知,震撼了整个科学界,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。在这一个关键的开创性发现之后,全球掀起了研究石墨烯及其相关二维材料(graphene and related materials,GRMs)的热潮。

二维材料是指由一种或多种元素构成的单质或者化合物晶体,并且其厚度仅仅是一层或者几层原子。广义上说,也可以指具有几个单层以范德瓦尔斯弱相互作用结合的材料,或者电子被限制在二维方向内运动的材料。由于二维材料自身独特的低维特征结构,它们大多各自具有优异的力学、热学、电学、磁学和光学等物理性能,被认为有潜力在能源环境、电子信息、航空航天、生物医药等领域引起革命性的突破,是主导未来高科技竞争的超级材料。在制造业中,有科学家尝试用石墨烯制出密度是钢的5%,但是强度是钢的10倍,并且可以在3D打印机中加工的飞机机体。而各种功能化的石墨烯可以设计成具有超过现有的工业化材料的性能。比如FeCl3插层石墨烯的电阻可以低至8Ω,其光学透明度与商用氧化铟锡(ITO)和氟掺杂氧化锡(FTO)材料类似。六方氮化硼(h-BN)与其他二维材料组合时,其抗拉强度和稳定性使得形成防氧化的保护层。二维层状过渡金属硫属化物(TMDCs)(MoS2,WS2等)具有超薄晶体管的理想性能。各国研究团队一直在尝试二维材料在电子、光电子、电催化和能源存储等领域的应用(表1)。

表1 二维材料各类应用

应用

二维材料

TCFs(透明导电薄膜)、触控显示

还原氧化石墨烯(rGO),石墨烯

沟道材料:还原氧化石墨烯(rGO),MoO3,rGO/TiO2,WS2,石墨烯,黑磷(b-P)

接触式电极:还原氧化石墨烯(rGO),石墨烯

介电层:六方氮化硼(h-BN),氧化纳米片层

超薄晶体管:二维层状过渡金属硫属化物(TMDCs)(MoS2,WS2等)

TFTs(薄膜晶体管)

非易失性电阻存储器件

氧化石墨烯(GO),还原氧化石墨烯(rGO),MoS2/GO,MoOx/MoS2异质

光电探测器

WS2,二维层状过渡金属硫属化物(TMDCs)(MoS2,WS2等),黑磷(b-P),rGO/TiO2

LED器件

MoS2/MoO3杂化物,WOx/WS2,WOx/WSe2

导电电极:还原氧化石墨烯(rGO)

空穴提取层:部分氧化的MoS2

太阳能电池

光致发光

La0.90Sm0.05Nb2O7纳米片层,Eu0.56Ta2O7纳米片层

Eu3+/TiO2纳米片层,MoS2

MoS2(酸性介质中电催化析氢反应(HER)),N或B掺杂的石墨烯(氧还原反应(ORR)和二氧化碳还原反应(CRR))

MXenes(电催化析氢反应(HER)和二氧化碳还原反应(CRR)),层状双氢氧化物LDH(碱性介质中电催化析氢反应(HER)和氧还原反应(ORR))

电催化

电池

石墨烯,二维层状过渡金属硫属化物(TMDCs),MXene

超级电容器

MXene,石墨烯,二维层状过渡金属硫属化物(TMDCs)

离子分离:Ti3C2Tx,氧化石墨烯(GO)

气体分离:1,4-苯二甲酸铜MOF薄片,氧化石墨烯(GO)

气体分离和离子分离膜

传感器

柔性传感器:柔性rGO/纳米纤维素,rGO

气体传感器:NH3:黑磷(b-P),Ti2CO2;CO2:V2C

NO2:MoS2,SnO2/MoS2

离子和pH传感器:MoS2,MoS2/Au,MoS2/石墨烯

生物传感器:MXene,MoS2,WS2

复合材料和涂层

增强填料:黑磷(b-P),六方氮化硼(h-BN),MXene

导电填料:rGO,石墨烯微片

防腐填料:rGO和石墨烯,六方氮化硼(h-BN)

防火涂层:石墨烯,六方氮化硼(h-BN)

抗静电塑料:石墨烯

吸附剂

MXene,rGO,六方氮化硼(h-BN)

热界面材料和热管理材料

rGO,六方氮化硼(h-BN)

净水

石墨烯复合材料

小分子识别

有机或金属-有机二维材料

光纤锁模激光器

黑磷

化妆品

六方氮化硼

(ISTIS整理)

二维材料是目前材料领域里充满活力、令人瞩目的新增长点。迄今为止已经有几十种二维粒子被分离出来,涵盖了石墨烯、拓扑绝缘体、过渡族金属硫化物、黑磷、锑烯、铋烯等几十种不同的层状材料。石墨烯、TMD、黑磷等二维材料显露出巨大的潜力,但只是冰山的一角,整个领域蕴含着更多更大的机遇和挑战。尤其后两种材料都具有吸引人的电子特性,其研究人员之间的竞争非常激烈。

二维材料种种新奇的特性,让研究人员看到了新的机遇:或许可以用它们来研发新一代元器件,为未来信息科技的发展注入更大潜能。从工业界的观点来看,二维材料是某一个复杂体系的零部件而且常常是直接代替另一种材料,二维材料的开发具有明确的且经济可行的市场需求,将影响材料产品的研究、开发和商业化,进而影响工业规划。二维材料的开发和培育,正在政府、工业界和学术界获得越来越广泛的共识,政府正在不断地参与到在工业界制备和研究新材料的计划中。在美国国家科学基金会(The National Science Foundation,NSF)内,若干个跨部门的材料合成与加工(Material Synthesis and Processing,MS&P)计划已经开始。

二维材料世界仍有着许多未知的发现,科学家们认为二维材料将彻底改变推动或改变人类科学的发展进程,拥有更大的产业价值,二维材料将带动真正的科技革命。工信部发布的《中国制造2025》重点领域技术路线图指出,石墨烯材料可极大推动相关产业的快速发展和升级换代,市场前景巨大,有望催生产业规模千亿元。我们研判,近十年中,二维半导体材料还不具备大规模取代硅基材料的能力。我们难以断定二维半导体是否会胜出。但与此同时,我们也应该注意到,颠覆性技术的出现往往会重新书写整个半导体领域的格局。而2D材料由于其超薄的外形因素,可以很好地应用于物联网硬件平台。市场研究表明,物联网将是未来5到10年驱动增长的一个重要因素,根据市场研究预测,物联网连接总数将从2015年的60亿增长到2025年的270亿,复合年增长率为16%。这将伴随着2个zettabytes的数据生成,以及2-5万亿美元的经济影响。

(2)主要发达国家及新兴地区政府发展策略

目前,全球已有80多个国家投入石墨烯等二维材料的研发、生产,美国、欧盟、英国、韩国、日本、新加坡、中国台湾地区等国及地区已将二维材料研究提升至国家战略高度,相继颁布实施了一系列相关政策及资金资助项目(表2)。这些国家及地区的政策制定机构和行业决策机构,已经增加了石墨烯等二维材料的研发投入,并期待产业投资可以转化为更多的经济效益。

表2 各国二维材料基础研究投入情况

国家/

区域

年份

政策或者资助

目标

美国

2008年-2015年

美国国家科学基金(NSF)资助的相关研究项目,资助的金额除了2014年有所下降,总体上还是保持着强劲的资助力度

石墨烯基础科研,促成石墨烯在制备和技术应用领域有所突破

2008年

美国国防部高级研究计划署(DARPA)计划,2200万美元

研发超高速和低耗能的石墨烯晶体管

2012年

美国国防部投入750万美元资助多学科大学研究计划MURI

研究空军石墨烯材料、海军石墨烯材料等

2014年

NSF与美国空军科研办公室

石墨烯及相关的二维材料基础研究

2014年-2019年

EFRI2-DARE(新兴前沿研究与创新中心-二维原子材料研究)与BRI(基础研究计划)

二维原子材料研究

欧盟

2007年

欧洲研究理事会(ERC)资助项目

石墨烯物理性能和应用研究

2008年

第七框架先后发布4大石墨烯资助方向

石墨烯应用研究

2009年

欧洲科学基金会(ESF)启动欧洲石墨烯项目(EuroGRAPHENE)

石墨烯应用研究

2011年-2013年

欧洲委员会资助POLARCLEAN计划

石墨烯研究

2011年-2015年

欧洲委员会资助GRAFOL计划

石墨烯研究

2011年-2015年

欧洲委员会资助计划Nanomaster

石墨烯研究

2013年-2023年

石墨烯旗舰计划,2013年1月被欧盟选定为首批技术旗舰项目之一,10亿欧元

把石墨烯和相关二维层状材料从实验室带入社会,为欧洲诸多产业带来一场革命,促进经济增长,创造就业机会

2013年-2015年

欧洲委员会资助NANOQUESTFIT纳米量子应用计划

石墨烯和相关二维材料

2014年

欧盟未来新兴技术(FET)石墨烯旗舰计划,发布首份石墨烯招标公告和科技路线图

短期以石墨烯在粉体添加剂与光电设备中的规模化应用为目标,长期将实现石墨烯对硅的替代,成为新一代超微型晶体管的基础材料。提出了13个重点研发领域,包括石墨烯、相关二维晶体和杂化系统的原型研究,更新石墨烯、相关二维晶体和杂化系统的科技路线图

2016年-2018年

欧洲委员会核心项目,4500万欧元

工作领域拓展到20个,增加了能源再生、功能泡沫和涂层、生物医疗应用和晶片尺寸系统集成工作领域

2016年-2020年

石墨烯旗舰计划第二阶段

石墨烯

英国

2011年

《促进增长的创新与发展战略》

把石墨烯作为未来4个重点发展方向之一

2011年

英国自然科学研究院委员会,英国技术战略委员会,1000万英镑

建立一个以新兴技术探索和市场开放为核心的创新中心,探索石墨烯研发与应用

2012年底

追加2150万英镑

石墨烯的商业化研究

2013年

英国国家石墨烯研究所项目,6100万英镑

石墨烯研发与商业化应用

2014年

曼彻斯特大学材料研究和创新研究院项目,23500万英镑

致力于使英国成为石墨烯领域的全球领导者

2015年

石墨烯全球研究技术中心项目,6000万英镑(一半来自于Masdar清洁技术和可再生能源公司,其余来自英国政府和曼彻斯特大学)

力求加速石墨烯商业领域的应用

韩国

2007年-2009年

韩国教育科学部门项目,1870万美元

90个石墨烯相关项目

2012年-2018年

原知识经济部项目,2.5亿美元

石墨烯技术研发(1.24亿美元)和商业化应用研究

2013年-2019年

韩国产业通商资源部投资,4230万美元

帮助企业实现石墨烯的应用产品和相关技术商业化

2014年

韩国发布《第二期国家纳米技术路线图(2014-2015)》

石墨烯

2016年

韩国政府公布“韩国ICT2020”(K-ICT)的五年战略规划

石墨烯

日本

2007年

日本学术振兴机构(JST)项目

日本东京大学开发石墨烯硅材料/器件

2011年-2016年

日本经济产业省实施“低碳社会实现之超轻、高轻度创新融合材料”项目,9亿日元

石墨烯及碳纳米管的批量合成

2016年

日本内阁通过《第五期科学技术基本计划(2016-2020)》

石墨烯

新加坡

2010年-2014年

新加坡国立大学(NUS)设立石墨烯研究中心、微纳米加工实验室等

石墨烯

2011年

国家科研基金会(NRF)资助石墨烯研究

石墨烯

2014年-2024年

国家研究基金会,4000万美元

新加坡国立大学(NUS)设立“二维材料中心”(2MC,新加坡国立大学的石墨烯研究中心2010年启动,它将成为该二维材料中心的一部分)。2MC拥有来自约50多个学科的研究人员。除了石墨烯,另外还关注黑磷单晶和金属氧化物半导体二硫化钼

中国台湾地区

2013年

在“精密化工与机能性化学品及材料技术”方面,拟制备纳米等级的2D碳材料石墨烯,发布技术蓝图。

2013年建立经济化石墨烯材料制备技术,并同步开发介面处理、分析以及应用评估的系统技术。制备石墨烯、石墨烯/环氧树脂母料,开拓石墨烯复合材料(导电、机械补强、导热)及涂料等应用领域;2015年朝向结构化碳材的掺杂技术开发,控制其电化学与触媒性能,开发轻薄、随身感测的智慧元件,创造生活优质化与健康维护

2018年

台湾大学新颖材料原子级科学研究中心推动低维材料

 

 

以凝固科学研究中心(2500坪实体空间与既有研究资源)为载台,整合建立于台大的科技部新颖材料核心设施,亚洲顶尖的显微能谱专家,构成国际化的低维材料应用平台。该平台三大轴向:(一)原子级材料设计成长,(二)原子级能谱解析,(三)原子分子级材料应用。此三大轴向将开发低维度新颖电子材料,并逐步建立具台湾实验室雏形专家系统及台湾制造新材料的国际品牌。期望能将新颖原子级材料核心技术生根台湾,为台湾未来将面临的工业材料革命提供积极有效的选项

(ISTIS整理)

 

 


注册成为正式用户,登陆后,获得更多阅读功能与服务!
转载本文需经本平台书面授权,并注明出处:上海情报服务平台www.istis.sh.cn
了解更多信息,请联系我们

§ 请为这篇文章打分(5分为最好)